盘江矿区松软突出煤层护封联瓦斯治理新技术体系研究616Word文件下载.docx

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2.2研究内容之二：

二次封孔技术32

2.2.1二次封孔技术原理32

2.2.2固相颗粒封堵煤岩裂隙机理研究33

2.2.3技术工艺36

2.2.4装备研发38

2.3研究内容之三：

瓦斯抽采管网优化39

2.3.1管网优化设计原理39

2.3.2管网优化设计研究40

2.3.3瓦斯抽采系统优化技术研究43

3项目可行性分析45

3.1研究思路的可行性45

3.2研究方法的可行性45

3.3基础条件的可行性46

4进度安排及资金预算46

4.1进度安排47

4.2资金预算47

5项目考核指标51

6经济社会效益分析51

1研究背景

1.1矿区概况

盘江矿区是我国“十二五”规划建设的全国14个大型煤炭生产基地之一。

矿区因与云南富源、宣威接壤，地处中国“攀西-六盘水”这个资源富集“金三角”的最南端，又以丰富的煤炭资源称冠江南，被誉为“金三角下的一颗明珠”。

公司拥有丰富的煤炭资源，是中国南方地区重要的大型炼焦煤和动力煤生产基地。

矿区储量丰富，井田面积706平方公里，远景储量383亿吨，地质储量95亿吨，可采储量20亿吨；

煤种齐全，主要有气煤、肥煤、1/3焦煤、主焦煤、瘦煤、贫煤、无烟煤，储量和煤种在长江以南地区得天独厚；

交通便利，贵昆铁路、南昆铁路威红段、水红铁路、沪昆高速公路、水盘高速公路以及在建设的沪昆高铁贯穿矿区，是北通巴渝，南接粤桂，西进云南，东联黔中的西南及西部地区交通、能源输出重镇。

矿区范围内包括:

盘关向斜、土城向斜、照子河向斜、水塘向斜、旧普安向斜和盘南背斜六个地质构造单元，共计三十四个勘探井田，其走向长度为25km，倾斜宽为1.0~l0km，面积为7.06km2。

盘江矿区内瓦斯基本情况：

矿区内在300m垂深深度内，煤层瓦斯含量在3.694m3/t~2032m3/t之间，瓦斯梯度在0.0352m³

/t/m~0.084m³

/t/m之间，在地质构造带附近，煤层瓦斯含量变化较大，分布无规律。

盘江矿区煤层透气性系数在3.485x10-4~67.586m2/（MPa2·

d）之间。

煤层瓦斯压力在0.32MPa~3.76MPa之间，大部分煤层属于较难抽采煤层。

盘江矿区6对矿井均为高瓦斯突出矿井，煤层低渗透、极松软、高瓦斯、高地压、突出灾害严重，断层多，煤层赋存不稳定，地质条件极其复杂。

瓦斯抽采方式单一，施工难度大。

瓦斯抽采孔钻不深、塌孔严重、钻孔密封质量差，瓦斯抽采管网效率低。

1.2研究目的及意义

突出煤层的安全高效绿色开发与利用一直是国内外的技术难题，国外一般放弃类似条件的突出煤层开采，而我国国情和资源约束使得我们不得不回收该类资源。

经过近几十年的开采实践，各矿区虽然在技术上取得了重要进展，但总体形式依然严峻，仍摆脱不了“有资源难开采、有技术不系统、有措施效果差”的不利局面。

盘江矿区煤炭资源具煤层低渗透、极松软、高瓦斯、高地压、突出灾害严重，断层多，煤层赋存不稳定，地质条件极其复杂等特点。

随着开采深度的不断增加，开采条件越来越复杂，矿井瓦斯成为制约安全生产的关键问题。

瓦斯治理中存在抽采孔钻不深、留不住、封不严、联不通的问题。

因此，急需研究突出低透条件下瓦斯高效治理的新技术，开展相关示范工程，解决盘江矿区区域瓦斯治理难题。

因此，实施盘江矿区区域瓦斯治理护封联新技术体系研究，不仅是贯彻落实科学发展观，推进煤矿安全发展、清洁发展、节约发展的必然要求，而且还可盘活难采储量，并逐步实现煤矿安全保障从“被动应付型”向“主动保障型”的转变。

该示范工程的实施符合国家安全高效开采煤炭能源、保障国民经济可持续发展、“以人为本”、构建和谐社会的重大战略需求。

同时，研究成果可示范与带动全国类似煤炭资源与瓦斯资源的安全、高效、绿色开采。

1.3研究现状

1.3.1瓦斯抽采孔垮塌防护研究

我国有52%的矿井属于高瓦斯矿井，瓦斯治理是保障矿井安全高效生产的前提。

然而我国松软煤层比例很高，平顶山、淮南、淮北、贵州、四川等矿区主采煤层均属于松软、低透、高瓦斯煤层，并且很多矿井具有煤与瓦斯突出危险。

施工钻孔对煤层瓦斯提前预抽是治理瓦斯的有效手段，也是目前我国煤矿普遍采取的措施。

但是在松软煤层尤其是坚固性系数f值小于0.3的极软煤层中，90%以上瓦斯抽采孔钻后会发生变形、长距离垮塌甚至是闭合，从而阻断了瓦斯涌出和流动的通道，严重影响了瓦斯抽采效果。

并且矿井为了有效治理瓦斯，施工的抽采孔数量很多，人力、资金及时间的投入很大，单孔成本很高，这就造成了瓦斯抽采效果与瓦斯治理投入严重的不匹配。

在瓦斯抽采孔钻进和塌孔防护技术领域，国内外研究现状如下：

1）在松软煤层钻进技术

上世纪70年代中期，国内煤矿一直采用地面钻探用的立轴式钻机用来施工煤矿井下瓦斯抽采钻孔。

70年代末我国先后从英国日本引进150米和300米的全液压动力头式钻机，取得良好效果。

80年代初，煤炭科学研究所总院所属的西安分院和重庆分院等单位在引进吸收国内外先进技术的基础上结合我国煤矿的实际生产条件制造出了拥有自主知识产权的全液压动力头式钻机。

进入90年代以后，随着煤矿综采技术的发展，有关单位在煤矿井下近水平定向钻进技术的研究方面取得重大进展，钻孔深度大幅增加。

目前，我国瓦斯抽采钻孔技术主要有一下几种：

常规钻进技术、冲击回转钻进技术、稳定组合钻具定向技术、螺旋钻进技术、定向钻进技术。

（1）常规钻进

常规钻进技术是我国煤矿井下最长采用的一项钻进技术，该技术是利用切削刃在轴向压力作用下，克服岩石抗压阻力，切入岩石，同时靠回转力剪切刃前岩石而达到连续破碎岩石的结果。

由煤炭科学研究总院西安分院研制开发的ZDY400/650型煤矿用钻机，其最大钻孔深度为75米/100米，由于该型号钻机解体性好、拆迁方便、摆布灵活的特点，被广泛应用在国内各大矿井。

（2）冲击-回转钻进

我国煤矿井下各种钻孔的施工大多采用冲击回转钻进技术。

冲击-回转钻进技术有机地综合了冲击钻进（单次破碎岩石作用）和回转钻进（连续破碎岩石作用），以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石。

比较适用于粗颗粒的不均质岩层。

目前我国冲击-回转钻机多为重庆煤科院研制开发的ZY-650/1250型钻机，其最大钻孔深度可达150米/200米；

冲击器为SPM80/90型，可产生的风压为5MPa/6MPa。

贵州水城矿业集团大湾矿应用ZY-1250型钻机有效的控制了掘金过程中瓦斯超限的问题；

李彦明通过分析影响其钻进效率的几个工艺参数，证明了在复杂岩层中钻进时，采用冲击-回转钻进工艺效率更高，而且成本更低。

（3）稳定组合钻具定向钻进

稳定组合钻具是在靠近钻头的一段钻杆柱的适当位置接数个直径接近钻头直径的稳定器，在水平或近水平状态下，这些稳定器起支点作用，其间的钻杆在重力、给进力及离心力的作用下产生变形，使钻头上仰、下倾或基本保持原方向。

目前我国煤矿一般采用煤炭科学研究总院西安分院研制开发的ZDY8000/10000及ZDY6000S和ZDY6000L型钻机。

陕西铜川的陈家山煤矿采用ZDY8000/10000型钻机,完成钻孔深度达865m；

晋城煤业集团,使用ZDY6000S和ZDY6000L钻机,施工500～600m的沿煤层钻孔效果良好。

（4）螺旋钻进

螺旋钻进技术是通过螺旋叶片上的钻渣与螺旋叶片之间产生的摩擦阻力，随螺旋上升角上升而排出孔外的。

煤炭科学研究总院西安分院研开发的MKF-2型全液压强力防突钻机利用螺旋钻进技术河南永华能源公司一矿有效的解决了在煤质松软瓦斯含量高的情况下防突钻孔的施工问题。

该院钻探所研制生产的ZDY1200L履带式全液压钻机在阳煤集团二矿采煤层总尺进117米；

黄麟森和曾来提出并改进了测量钻头位置的随钻测量系统、提供钻头动力的孔底马达以及全新的旋转钻进系统等先进技术。

（5）定向钻进

定向钻进技术是目前世界上最先进的钻进方法之一，它具有DGS导向系统，通过孔外计算机监测，可以按照预先设计的钻进轨迹钻进至指定位置。

这对瓦斯抽放、煤层气开发、紧急救援、探测排放采空区积水及地质构造等，有无可比拟的优越性。

由于我国在定向钻机领域研究较晚，我国部分煤炭企业引进国外先进的瓦斯抽采技术和装备。

1997～1998年间，松藻矿务局、淮南矿务局分别引进美国朗爱道公司制造的LHD-75型1000米钻机和澳大利亚常年公司研制生产的LMC-75型1000米钻机及万通公司生产的UDR130CSM-9制造生产的1500米钻机，其最大钻孔深度仅为432.15米。

2002年底山西亚美大宁能源有限公司从澳大利亚引进一套VLD1000深孔定向钻机，打成的最深钻孔深达1002米。

目前在定向钻机技术领域具有代表性的中煤科工集团西安研究院自主研发的ZDY6000LD型定向钻机，该钻机在陕煤彬长大佛寺矿业公司、铜川矿务局、晋城无烟煤矿业有限责任公司等单位，最大钻孔深度突破1200米。

三一重工集团目前已自主研制出的CMSL-3000R型煤矿用整体式深孔定向钻机，将在较大程度上解决瓦斯爆炸事故的预防难题。

2）瓦斯抽采孔垮塌防护技术

在松软煤层瓦斯抽采孔防护方面，国内外学者开展了相关研究工作。

徐庆武等人（2007）试验表明用大功率钻机做推进装置向钻孔内送护孔管经常卡阻，最多送入20m，为此提出了采用导向滑轮连接方式送入护孔管的工艺，最大送入长度达到了七十多米；

殷新胜，石智军，姚宁平等（2008）提出了一种井下松软突出煤层中风压空气钻进工艺，即当钻头从孔口钻到终孔后先不起钻，通过钻杆内孔送入护孔筛管，之后起钻，钻杆退出而护孔筛管留在孔内，起到支护孔壁和抽采瓦斯的作用；

凌标灿和戴世鑫（2010）设计了一种实用新型瓦斯抽采护孔管，在护孔管顶端设计了锥头管，减少了护孔管送入的摩擦阻力，以便于护孔管向瓦斯抽采孔内推进；

李辉、袁东升和曹中秋等（2011）研究了采用特殊管网防塌孔的方法，既利用钻具对煤层打孔，使防塌孔管网跟随钻杆一起进入孔内，起钻后把防塌孔管网留置在钻孔内。

国外在水平钻孔稳定性方面开展了一定的研究，英国诺丁汉大学的D.N.Whittles等人（2007）对工作面的推进过程中垮落区内顶板抽放钻孔套管的破坏规律进行了研究，建立了岩层剪切作用对钻孔套管带来的弯曲变形、轴向应变和断裂破坏的分析模型；

HawkesC.D.（2007）提出了评估煤体强度的综合经验图表，建立了钻孔线弹性稳定模型，得出了岩石强度的各向异性和埋深与钻孔稳定性的关系；

GentzisThomas（2009）在相似模拟条件下，对钻孔进行三轴应力加载试验，分析了垂直应力梯度和水平应力分布。

并采用STABView数值模拟软件得到了水平钻孔孔底从应力集中到卸压过程中应力的变化；

MayDaleH.和KokJeffrey（2011）建立了水平钻孔稳定性模型，揭示了地面钻井的压力状态及失效机理，同时也提出了减少意外卸钻的钻进程序，以提高同一区域内后续钻井的钻进效率；

KeimStevenA.等（2011）通过数值模拟研究了煤层透气性系数在0.1~1之间的低透气性煤层瓦斯抽采水平钻孔的最优布置方式，分析了高地应力下羽状水平孔和枝状水平孔扩展失效，结果表明枝状水平钻孔不易塌孔。

国内外研究经验表明，研究钻孔稳定性对提高其瓦斯抽采效率，保障煤与瓦斯高效共采意义重大。

虽然国内外对瓦斯抽采钻孔的稳定性开展了相关的研究工作，但针对不同地质条件下松软煤体蠕变失稳机理尚未开展深入的研究。

并且，我国煤矿顺层瓦斯抽采孔长度普遍达到百米以上，缺乏高效、实用的护孔技术。

本项目在前期对松软煤层瓦斯抽采孔塌孔问题的广泛调研基础上，提出了跟管协同式和分布式钻护一体化理论与技术研究的新方向，以解决松软煤层塌孔难题，更从根本上扭转瓦斯抽采浓度低、效率低的困局。

1.3.2瓦斯抽采封孔技术研究

现阶段，国内外瓦斯抽采钻孔的封孔技术主要有：

黄泥封孔、水泥砂浆封孔、PU矿用密封胶封孔，发泡聚合材料封孔、封孔器封孔等。

此外，为提高瓦斯抽采钻孔的封孔质量，国内有关单位对以上技术在钻孔工艺、联合封孔以及封孔深度与长度的合理参数等方面进行了改进。

上述封孔技术及工艺在瓦斯抽采实践中取得了一定成效，但还存在共性的问题，即：

随着瓦斯抽采的进行，钻孔周边围岩裂隙不断发育，最终形成漏风裂隙通道，外界空气在抽采负压的作用下易由这些裂隙通道进入抽采钻孔内，从而导致抽采的瓦斯浓度下降，缩短了钻孔的有效抽采期，降低了钻孔的利用率。

造成钻孔漏气的原因，一方面为封孔抽采后煤层瓦斯压力降低、瓦斯含量减小，煤体中瓦斯的弹性潜能得以释放，由此引起煤层变形、卸压（地应力减小）、透气性增大等，使钻孔周边的孔（裂）隙发育、扩张，另一方面为钻孔围岩在地压作用下变形、移动和破坏。

根据已有工程经验，进入抽采系统的空气有80%以上是通过钻孔吸入的，如果钻孔空气的吸入量减少1/2~2/3，钻孔的瓦斯抽采量可望增加1.5~2倍。

综上所述，封堵钻孔周边煤（岩）裂隙从而减少钻孔空气的吸入量是井下瓦斯抽采工程需迫切解决的问题。

为解决钻孔抽采瓦斯过程中瓦斯浓度大幅度降低的技术难题，项目团队开展了创新性的研究工作，首次提出了提高煤层瓦斯抽采效果的二次封孔方法，即在确定出瓦斯抽采钻孔封孔深度的基础上进行一次封孔，一次封孔深度在8～10m以上，封孔段长度3～4m。

随着瓦斯抽采的进行，钻孔周边的裂隙逐渐发育形成漏风通道，当外界空气在抽采负压作用下吸入钻孔内造成抽采浓度显著下降时，利用井下压风系统的正压，通过二次封孔装置将固相粒子送入预留的钻孔空段，并输送至钻孔周边的漏风通道中。

固相粒子在漏风流场作用下进一步输运，并在漏风裂隙中逐渐沉积、凝并，产生封堵效应，阻隔外界空气的进入，使钻孔内的漏气量减少，从而提高钻孔内瓦斯抽采的浓度。

目前二次封孔技术在煤矿现场进行了初步的工业试验，取得了较好的效果：

瓦斯浓度提高了25～50%，瓦斯抽采期平均延长3个月。

但是针对盘江松软煤层特定条件下的二次封孔技术研究尚未开展。

因此，应在前期研究的基础上，进一步试验，研究盘江矿区松软低透煤层二次封孔关键技术参数，解决瓦斯抽采钻孔封不严的问题。

1.3.3瓦斯抽采管网优化研究

瓦斯抽放管路的优化设计在井下管网规划工作中占有非常重要的地位，它关系到整个抽放系统的合理性和高效性，但现有管网的优化设计工作主要集中在管网选线确定后的管径等方面的优化设计，对抽放管网的优化的研究较少。

对于管路优化设计方面，目前在瓦斯抽放管网规划工作中，管网的优化设计在很大程度上还主要依靠规划设计人员的经验决定，这使优化设计的决策具有很大的主观随意性，缺乏理论根据，往往使设计偏于保守，造成管网不必要的设置，增加了工程的建设量，从经济角度讲是不合理的。

翟成等根据图论理论和矿井瓦斯抽放系统的关系，采用图论的理论和方法来表示抽放系统图，计算了瓦斯抽放系统各管路阻力，简化了矿井瓦斯抽放系统并建立了抽放系统网络图，解决了抽放系统局部阻力过大等问题，改造后使得抽放系统抽放阻力分布均匀，增加了矿井瓦斯抽放量，提高了矿井安全性，更好地实现了瓦斯综合治理。

龙翼等从图论的原理出发，阐述了城市污水管网布线优化设计的依据，然后以管网系统为研究对象，以费用最低为优化目标，直接以节点标高为约束条件对成都某区的污水管网实例进行优化计算。

对于瓦斯抽采系统局部设备方面，1938年我国首次在抚顺矿务局龙凤矿利用抽采泵进行采空区抽采；

五十年代在抚顺、阳泉、天府和北票局开展了矿井煤层预抽采瓦斯。

瓦斯管路系统开始向多样化，多元化发展。

除传统的铁管及钢管外，又研究制了玻璃钢管、双抗塑料管、PVC管及其它高分子材料制成的多种瓦斯抽放专用管。

除了管子材料不同以外，连接方式也存在多种样式：

（1）瓦斯钻孔直接和抽采主管路连接：

这种瓦斯管路系统的抽采主管路为钢铁构件，各个钻孔不经支管，而是直接和主管路连接。

郑煤集团告成煤矿井下瓦斯抽采的联管系统，在封孔之后钻孔的抽采管用双抗吸排管（蛇形管）和主管路连接；

接口处用铁丝缠绕捆牢；

没有单孔控制阀门和测气孔；

各个巷道只有总管路有测气孔和控制阀门。

这种管路的特点是联管件笨重、安装麻烦、管路漏气严重。

而且不能实现单个钻孔控制，个别钻孔漏气就会影响整个抽采系统。

有时为了保证整个系统的瓦斯浓度，不得不整片区域关闭抽采系统，这就造成了巨大的资源浪费，也给以后煤炭回采留下巨大的安全隐患。

（2）钻孔两两并联和支管连接后和抽采主管路连接：

阳泉煤业集团石港矿的井下瓦斯抽采联管系统。

该矿井下瓦斯抽采钻孔普遍采用钻场施工，由于每个钻场打有六个钻孔，因此在封孔之后采取两个钻孔并联再组成一个抽采支路后和总管相连。

该管的特点是：

联管采用快速接头，主要部件为PVC双抗塑料管，每两个钻孔有一个调节阀门和测气孔，支管路也有控制阀门，一旦这两个钻孔或支管路出现漏气或浓度降低，就能及时关闭不至于影响整个系统的瓦斯浓度。

但是管路的调节阀为钢铁件，容易锈蚀无法调节或造成管路漏气。

1.4研究思路

针对瓦斯治理中存在抽采孔留不住、封不严和联不通的问题，本项目拟开展盘江矿区松软突出煤层护-封-联瓦斯治理新技术体系研究，研究内容包括以下三个方面：

1）瓦斯抽采孔钻护一体化技术

研究钻孔失稳垮塌机理，以此为基础，研究防治瓦斯抽采孔塌孔的新方法和装备，形成钻护一体化。

2）二次封孔技术

研究松软低透煤层瓦斯抽采钻孔周围煤岩体裂隙场发育规律，完善相关工艺参数，研发适用于盘江矿区的二次封孔新技术装备。

3）瓦斯抽采管网优化

以实测数据为基础，分析确定制约瓦斯抽采系统能力与效果的主要因素，通过优化瓦斯抽采系统各主要环节，实现“抽采泵—管网—钻孔”之间的合理匹配。

研究思路如图1.1所示。

图1.1研究思路图

2项目研究内容与技术方案

瓦斯抽采孔钻护一体化技术

目前，我国松软煤层瓦斯抽采钻孔成孔方面主要存在以下难题：

第一，抽采钻孔钻进不到位。

主要表现为：

在钻孔施工期间，由于松软煤层煤体结构软，或者硬煤穿过软岩层、煤线、泥岩及断层带时，打钻经常发生顶钻、卡钻、吸钻、喷孔、塌孔现象，很难深孔钻进，许多矿井在松软煤层中的打钻成功率受到了很大的限制，很难完成施工设计要求，影响煤层瓦斯抽采效果；

第二，煤层瓦斯抽采孔成孔后留不住。

钻孔成钻后，周围原岩应力不再平衡，加上煤体结构的松软性，在垂直地应力作用下，煤体蠕变并逐渐失稳和垮塌，造成抽采孔堵塞，瓦斯抽不出。

在矿井生产中，瓦斯抽采孔的人力、资源、经济和施工周期投入都很大，一旦塌孔，瓦斯抽采治理效果和投入将不相匹配，还会造成回采期间瓦斯涌出量增大，严重影响了安全生产。

因此，瓦斯塌孔防治是一项经济和效率的双重任务。

2.1.1瓦斯抽采孔塌孔失稳机理研究

钻孔失稳是指由于钻孔的形成使钻孔周围软弱煤岩体卸载，孔外围煤体应力重新分布，导致孔周围产生破裂，弱结构体沿原生和新生破裂面产生滑移、错动以及剪切张裂等变形，或者随着时间的迁移，松软煤层的强流变性也会导致钻孔壁向开挖空间挤压而逐渐闭合。

钻孔失稳与含瓦斯煤岩体的力学特性、地应力分布以及成孔工艺有着密切的关系。

主要包含：

1）煤与瓦斯突出煤层的物理力学特性的影响。

煤层的岩性是影响煤层稳定性的最本质因素，由于煤层自身的组成成分和煤层内部结构构造的不同，使得煤层的物理力学特性有很大的差异。

突出煤层内聚力小、破碎松散，强度低以及易于软化等性质，对钻孔稳定性非常不利。

2）复杂应力场的影响。

处于复杂的应力场中的煤层，主要有垂直重力应力、煤层采动压力、地壳构造应力等等相互作用，相互影响。

突出煤层自身的承载能力差，随着压力的增大，钻孔从最薄弱的地方开始破坏，而且应力场的突然改变，导致钻孔迅速破坏，破坏区域及程度难以预测和防治。

3）瓦斯的影响。

瓦斯既可以改变煤层的应力状态，又可以影响煤层的强度大小。

当地应力处于平衡状态时，瓦斯大量吸附在煤层的表面处于流动平衡；

当钻孔钻进，使得应力平衡被打破，煤层压力释放，煤层瓦斯就会从煤层表面解吸迅速释放，而瓦斯自身特性的膨胀能，会导致煤层的变形，当压力达到一定的大小时，就会造成钻孔喷孔，甚至煤与瓦斯突出。

4）时间因素的影响。

流变是突出煤层的特性之一，钻孔的变形与时间密切相关。

受加载方式和加载水平的影响，低渗软煤的流变特性呈现出了多样性、多变性和不稳定性的复杂特点。

虽然近年来关于高应力低透松软煤层的研究取得了一些成果，但是由于在瓦斯抽采过程中，瓦斯的运移及分布规律会影响煤岩体骨架的变形与破坏，而骨架的变形又反过来影响瓦斯运移的状态，二者相互作用、相互影响，特别是复杂环境下，高应力采掘卸载导致地应力重分布，时空关系复杂多变，高应力释放、转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其复杂，且大范围开采对煤岩体形成反复扰动，使煤岩体经历多次变形、破坏过程，及瓦斯压力、温度的改变及其耦合效应导致瓦斯运移富集规律呈现极度复杂的特点，研究低透软弱煤岩体的破坏与变形机制是实现煤与瓦斯安全共采的理论科学基础，对指导工程实践活动有着十分重要的意义。

2.1.1.1研究内容

1）系统研究有关矿井地质条件的资料，分析盘江矿区存在的高瓦斯低透松软煤层赋存及分布情况，研究并总结低透松软煤层瓦斯抽采孔垮塌的导致因素；

2）开展不同加卸载路径下煤体的基本力学试验，研究钻孔在软煤、极软煤以及硬煤中的垮塌机制，探究煤的属性与钻孔稳定性之间的力学原理，优化不同属性煤层中钻进系统，形成技术实施规范；

3）分析煤层地应力分布特征，研究煤体在垂直地应力和水平地应力共同作用下的变形破坏机理，分析不同地应力分布导致瓦斯抽采孔垮塌的力学机制；

4）探究导致深孔钻进过程中钻孔偏斜的影响因素，分析钻进过程中装置的受力特征，计算钻杆的运动轨迹；

研究开发定向钻进设备与技术，提出可行的实施工艺；

5）研究跟管钻进协同护孔技术的力学机制，分析钻进过程中套管、钻杆以及煤层之间的相互作用机理；

设计并开发根管钻进设备，进一步完善钻孔工艺和护孔措施。

研究路线图见图2.1。

图2.1研究路线图

2.1.1.2研究方案

煤系地层的破坏、变形规律与煤的力学性质密切相关，且严重影响着煤体内钻孔的稳定性，研究含瓦斯煤体的力学特性对于松软煤层钻孔的维护，防止钻孔塌孔有着十分重要的意义。

含瓦斯煤体的力学性质包括含瓦斯煤体的变形特性和强度特征，由于在采矿

工程和地下工程中，煤岩体材料一般都处于受压的三维应力状态。

高应力采掘卸载导致地应力重分布，高应力释放、转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其复杂，钻孔周围应力分布如图2.2所示，加载破坏原理如图2.3所示。

图2.2钻孔周围应力分布状态

（a）原始煤体（b）加卸荷煤体

图2.3煤岩体破坏示意图

一、加卸载实验方案

为研究含瓦斯煤岩的力学性质、蠕变特性及渗透特性，研制了含瓦斯煤岩的加载装置。

在实验过程中，将瓦斯渗流装置、材料实验机和其他仪器一起组合成整个实验系统。

整个实验系统由加载系统、监测系统和瓦斯供给系统组成，如图2.4所示。

1-动态应变仪；

2-位移传感器；

3-体积流量计；

4-活塞杆；

5-活塞；

6-液压回路；

7-加载活塞8-油压控制系统；

9-油压控